在亞利桑那州立大學艾拉·A·富爾頓工程學院電氣工程教授寧存正（音譯）和同事們的最新研究中，探索了複雜的物理平衡，這種平衡支配着電子、空穴、激子和三電子如何共存，並相互轉換以產生光學增益，其研究結果由清華大學副教授孫浩（音譯）領導，並發表在自然《光：科學與應用》期刊上。在研究三電子如何發射光子(一種光粒子)或吸收光子的基本光學過程時：
研究人員發現，當有足夠的三子羣體時，光學增益可以存在。此外，這種光學增益的存在閾值可以任意小，只受測量系統的限制。在實驗中，該團隊測量了密度水平為4到5個數量級的光學增益（1萬到10萬倍）比為條形碼掃描儀和電信工具中使用的激光等光電設備提供動力傳統半導體中的光學增益要小。之所以做出這樣的發現，是因為研究人員對一種名為莫特躍遷(Mott Transition)的現象感興趣。
莫特躍遷是物理學中一個懸而未決的謎團，關於激子如何在半導體材料中形成三電子並導電到它們達到莫特密度（半導體從絕緣體變成導體，光學增益第一次出現的點）。但是，實現莫特轉換和密度所需的電力，遠遠超過了未來高效計算所需的電力。如果沒有像研究團隊正在研究的這種新低功耗納米激光器能力，將需要一個小發電站來供應一台超級計算機。如果在莫特躍遷以下的激子複合物能夠實現光學增益，那麼在低水平的功率輸入下：
未來的放大器和激光器就可以製造出來，這將需要少量的驅動功率。這一發展可能會改變節能光子學或基於光的設備，併為傳統半導體提供一種替代方案，因為傳統半導體產生和保持足夠激子的能力有限。正如以前二維材料實驗中觀察到的那樣，有可能比之前認為的更早實現光學增益。現在，該研究團隊已經發現了一種可以使其發揮作用的機制。由於材料很薄，電子和空穴相互吸引強度是傳統半導體的數百倍。
如此強烈的電荷相互作用使得激子和三電子即使在室温下也非常穩定。這意味着研究小組可以探索電子、空穴、激子和三電子的平衡，並控制它們的轉換，以在非常低的密度水平上實現光學增益。當處於三電子狀態的電子比它們原來的電子狀態多時，就會發生一種稱為布居反轉的情況。可以發射的光子多於吸收的光子，這就導致了一種稱為受激發射和光學放大或增益的過程。
解開納米激光之謎
雖然這一新發現為莫特轉變之謎增加了一塊（發現了一種新的機制，研究人員可以利用它來創造低功率的二維（2-D）半導體納米激光器）但研究人員表示，還不確定這是否是導致生產納米激光器的相同機制。解開剩下謎團的研究仍在進行中，在20世紀90年代，用傳統半導體也進行了類似的Trion實驗，但激子和三電子子是如此不穩定，無論是實驗觀察，特別是在真實設備中利用這種光學增益機制都極其困難。
由於激子和三電子在2-D材料中更穩定，因此有新的機會，可以從這些觀測中製造出現實世界中的設備。研究團隊的這一有趣的發展只停留在基礎科學層面。然而，基礎研究可以帶來令人興奮的事情。基礎科學是一項世界性的事業，如果各地最優秀的人才都能參與進來，每個人都會受益。亞利桑那州立大學提供了一個開放和自由的環境，特別是為與中國、德國、日本和世界各地的頂級研究小組進行國際合作提供了條件。
研究團隊還有更多的工作要做，以研究這種新的光學增益機制，在不同温度下是如何工作的，以及如何利用它有目的地製造納米激光器，下一步是設計可以使用新光學增益機制專門操作的激光器。隨着物理基礎的奠定，最終可能被應用於創造新的納米激光器，這可能會改變超級計算和數據中心的未來。長期的夢想是將激光和電子設備結合在一個單一的集成平台上，使超級計算機或數據中心能夠在一塊芯片上。
博科園｜研究/來自：亞利桑那州立大學
研究發表期刊《光：科學與應用》
DOI: 10.1038/s41377-020-0278-z
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